深空光通信链路特性分析及功率预算

深空光通信链路距离非常远,要求功率预算非常严格。影响通信链路特性的因素很多,功率预算往往需要很复杂的折中考虑。重点分析了链路距离、光学天线直径、光束发散角、大气信道损耗、光学系统损耗、探测器灵敏度等因素对链路方程、探测器信噪比和通信误码率的影响。提出了结合链路方程、信噪比和误码率对发射功率进行预算的新方法。开展了7 km地面间光通信室外演示验证实验,对大气信道损耗、光学系统损耗等进行了测试;开展了光束发散角、探测器灵敏度的室内测试实验。实验结果和理论分析基本吻合,表明该预算方法具有应用于深空光通信的可行性。

基于相位相关的深空光通信扩展信标跟踪技术研究

提出了一种深空光通信扩展信标的跟踪方法。该方法的原理是在航天器上存储一幅信标图像作为参考,把实际信标图像看成参考信标图像和附加高斯白噪声和的形式,基于离散傅里叶变换和相位相关技术对信标的旋转因子和平移因子进行计算。理论分析与仿真结果都表明,该方法可以把跟踪误差控制在0.5个像素以内。针对不同的信噪比对该方法进行仿真,计算误差并没有显著的变化,表明该方法具有良好的抗干扰性,能满足光通信链路实时运行的要求,是一种可行的方案。

深空光通信中光束瞄准技术研究

研究了深空光通信中的光束精确瞄准技术。从航天器和天体的运动规律出发,建立了一种基于航天器和地球星历表的深空光通信的瞄准理论,导出了瞄准矢量在航天器星上坐标系中角度,角速度,角加速度的变化规律,对两终端的相对运动进行分析,导出提前瞄准角和接收光波长多普勒频移的变化规律,进行了计算机仿真。结果表明,瞄准角度、角速度、角加速度、提前瞄准角呈现出周期性变化,在当前的技术水平下,在深空距离下能实现光束的精确对准。接收光波长的多普勒频移也呈现周期性变化,其大小在0.07 nm以内,决定了深空光通信中窄带滤光片的带宽应在0.7 nm以上,也表明在深空光通信中,采用相干探测方法将面临严重挑战。

基于LDPC码和PPM调制的深空光通信系统性能分析

比较了LDPC码和RS码在PPM调制下的深空光通信系统中的性能,给出了在不同阶数PPM调制下,不同码长LDPC码的性能仿真结果,以及与RS码的比较结果。结果表明,随着PPM调制阶数增加,LDPC码性能会下降。分析了调制阶数影响LDPC码性能的原因。

深空光通信中抗时延抖动的MPPM星座映射方案

针对深空光通信中现有的多脉冲位置调制(MPPM)方案存在星座点利用率较低及位置选择有待优化的问题,通过比较不同的MPPM方案星座点间的平均汉明距离及信号脉冲位于相邻时隙的概率,提出一种抗时延抖动能力更强的MPPM星座映射方案。基于现有的串行级联脉冲位置调制(SCPPM)译码算法,推导了串行级联MPPM(SCMPPM)迭代译码算法。仿真结果表明:该方案的性能比现有方案更优,不仅能够使通信系统保持较高的信息传输速率,还可以降低MPPM星座点间符号串扰(ISI)及时隙串扰(ITI)的概率,提高通信系统抗时延抖动的能力。

深空光通信中恒星信标的捕获跟踪技术研究

提出一种深空光通信系统的信标捕获、跟踪方案,该方案是以恒星作为信标,根据恒星在惯性坐标系中的绝对位置信息,基于航天器和地球星历表、航天器的姿态信息来进行下行光束瞄准方向的精确控制。理论分析和计算机仿真都表明,星敏感器的测量精度和焦距,下行信号光的束散角将影响激光链路成功建立概率。下行信号光束散角为30μrad,星敏感器视场为8°×8°,焦距为143mm,恒星的中心位置测量精度达到0.10个像素时,链路成功建立的概率达到96.4%,表明该方案是可行的。

深空光通信扩展信标捕获实验室模拟演示实验

基于CCD的角度偏差检测技术,对深空光通信中扩展信标的捕获机制进行了实验室模拟演示实验研究,获得了较好的演示效果。对实验结果分析表明,对应不同的捕获分辨角,实验得到的捕获概率与理论分析结果呈现相似的变化趋势,同时对捕获完成后系统的瞄准误差进行分析,结果表明瞄准误差在3个像素以内,并分析了误差产生的原因。

深空光通信中导航星表的构造

提出一种导航星表的构建方法,该方法以星跟踪器视场内最亮恒星作为信标,把信标锁定在视场中心,测量视场内其他恒星到信标的角间隔,把测量的所有恒星角间隔和信标的赤经、赤纬存储到导航星表中。基于该方法,利用史密森天文观测台恒星星表(SAO),选择星等小于6等的恒星,建立起导航星表,该星表仅包括5103颗星,其容量仅为1.2兆。相对三角形算法,该星表容量更小,可节省星载系统的存储空间,减少识别时间,提高跟踪速率。蒙特-卡诺仿真结果表明,利用该导航星表识别信标具有较好的抗干扰性,且当星跟踪器测角误差(3σ)在1μrad以内时,信标正确识别概率几乎为100%。

深空光通信系统中的极化码译码方法

为了提高深空光通信的信息传输效率,降低译码复杂度,针对极化码的分段CRC辅助SCL译码,引入了一种树图剪枝算法,提出树图剪枝-分段循环冗余校验辅助SCL(SCAL-P)译码算法。根据深空光通信系统和深空信道自由空间段信道情况,可以通过控制剪枝门限,在满足译码性能前提下提高译码效率。仿真结果表明,在码长N=1024,L=16时,选用剪枝门限值为7,此时剪枝操作能降低分段CRC辅助SCL译码18%左右的译码复杂度,并且只产生约0.4 dB的损耗,还可以根据不同的信道情况,设置不同的剪枝门限值,有效地提高了深空光通信系统的信息传输效率。

深空光通信技术现状及发展趋势

深空通信是深空探测任务顺利进行的重要保障。以激光为载波的通信系统具有通信速率高、体积小、重量轻和功耗低等特点,已成为深空通信未来发展的主要方向。总结了深空光通信系统的发展现状和未来发展趋势,分析了深空光通信系统的组成以及关键技术。在此基础上,就未来技术发展、组网规划、标准化和生态演进、演示验证等方面,给出了我国深空光通信发展的思考和建议。

深空光通信系统性能研究

本文简单介绍了深空光通信系统中三种调制格式BPSK、DPSK和DQPSK的调制原理和调制格式,并通过光学仿真软件Optisystem完成三种光调制系统模型的搭建以及在线仿真。仿真结果表明,在三种调制方式中,光BPSK调制实现起来最为简单,光DQPSK调制的性能最稳定,但实现起来也最为复杂。

深空光通信中图像信标的捕获和跟踪

用激光进行深空探测科学数据回传,上行信标光衰减严重,不能提供足够高的跟踪速率,因此常采用自然天体图像作为信标。对该信标的捕获和跟踪是深空光通信链路成功建立和保持的关键。在航天器上存储一幅目标天体图像做参考,利用该图像和探测图像的相关性对该信标进行捕获,理论分析和仿真结果都表明,可以精确地确定光通信天线的初始对准方向,使跟瞄系统进入跟踪模式。基于离散傅里叶变换和极大似然方法对信标的平移进行计算,需要解一个非线性方程组,线性近似计算结果表明平移量总误差在0.5个像素以内,X方向的平移误差为3.3%,Y方向的平移误差为2.7%,可以满足深空通信的要求,因而是一种可行的方案。

深空光通信中的图像信标捕获技术

为实现深空光通信链路建立过程中精确的对准,提出了一种深空光通信系统扩展信标的捕获方案。该方案以可视地球图像作为信标,在航天器上存储一幅信标图像作为参考图像,采用天线扫描的方式在各点对所瞄准的区域成像,利用像素扫描的方式,使参考图像和实际探测图像进行相关,在天线扫描完成以后,找出相关性最大的位置,即可认为在该点捕获到地球图像。在计算两图像相关系数的过程中,由于傅里叶梅林变换幅度谱具有伸缩及旋转不变性,因此利用傅里叶梅林变换即可消除两图像相关系数因为旋转和伸缩的影响。利用蒙特卡罗方法随机产生1000个视场,仿真结果表明,3σ内正确捕获到信标图像的概率为99.6%,表明这是一种可行的方法。

深空光通信接收方案的改进及误码性能分析

为了更好实现在不同背景光和大气湍流条件下的深空光通信,研究对比两种深空信道的接收方案模型。方案一为传统的接收方案,直接将光子探测器阵列放在天线的焦平面处,并在其前面加上小孔光阑,方案二为改进后的接收方案,将小孔光阑放置在焦平面处,光信号通过光阑后再经准直镜到达探测器阵列上。本文首先建立起大气湍流模型和背景光模型分析其对于接收端的影响,然后对所加的小孔光阑的孔径大小进行优化,最后在最佳孔径下对比两种接收方案的性能。仿真结果表明,在不同湍流和不同背景光时对应的最佳孔径都不一致,可以为后续设计地面接收系统提供一定的参考。而方案二比方案一在不同背景和大气湍流条件下性能也均有所提升,尤其在较强背景和大气湍流时方案二性能提升更加明显。

空间激光通信现状、发展趋势及关键技术分析

针对目前空间激光通信的背景需求,介绍了国内外星、空、地、海等平台间的空间激光通信研究与试验现状。通过对空间激光通信现状的分析,并结合科研实践,归纳出空间激光通信的高速率、网络化、多用途、一体化、多谱段5个未来发展趋势。在此基础上,从空间激光通信系统的光学结构、通信收发以及环境影响等方面,着重分析了高质量光学系统设计、高精度捕获对准跟踪、大气信道影响补偿、高速率高功率发射、高灵敏度低误码探测、一对多通信网络、平台振动与姿态补偿、器件部件空间适应性8项关键技术,并提出相关技术的解决方法和途径,进而给出须进一步深入研究的方向,展示了空间激光通信良好的应用前景。

空间激光通信技术发展趋势分析

空间激光通信作为一种先进的通信手段,近年来发展迅速。重点分析了国际上空间激光通信技术的发展新动向,试图对国内开展相关研究提供参考和借鉴。

受光束漂移影响的深空上行激光通信链路信道容量

使用Monte-Carlo仿真方法,基于光强闪烁和光束漂移的联合模型,对使用脉冲编码调制方式(PPM)和雪崩光电二极管(APD)探测器直接探测接收的深空上行激光通信链路的信道容量进行了分析。仿真结果表明,与下行链路中信道容量随着束散角的增加而单调下降的现象不同,对于存在光束漂移作用的上行星地激光链路,存在一个最优发射束散角使得星地激光系统的信道容量最大。在此基础上,对最优束散角与发射光束数目、方位角、热噪声和发射端的光束半径之间的关系进行了分析。所得的结果可以帮助实现星地激光通信系统上行链路的优化设计。

空间激光通信最新进展与发展趋势

空间激光通信凭借其带宽优势,成为未来高速空间通信不可或缺的有效手段,是近年来国际上的研究热点。本文详细介绍了美国、欧洲和日本在空间激光通信技术领域的最新研究进展和未来发展规划,总结了国内外空间激光通信演示计划的主要参数指标。通过对空间激光通信最新研究计划的分析,归纳出空间激光通信高速化、深空化、集成化、网络化、一体化5个发展趋势,以及需要突破的高阶调制、高灵敏度探测、多制式兼容、"一对多"通信等关键技术。为我国激光通信设备及相关研究提供借鉴和参考。

空间激光通信技术最新进展与趋势

空间激光通信技术已成为现代超宽带卫星通信技术发展的新焦点。详细介绍了美国、欧洲和日本在空间激光通信技术领域的最新研究进展和发展规划,重点介绍他们正在开发的第2代空间激光通信系统的主要性能指标和采用的新技术,深入分析了国际空间激光通信技术的发展趋势,为我国开展相关研究提供借鉴和思路。

卫星激光通信发展现状与趋势分析(特邀)

卫星激光通信凭借其宽带宽以及无电磁频谱约束等特点,成为解决卫星微波通信带宽瓶颈和缓减卫星频谱资源紧张,实现卫星高速通信的有效手段。本文介绍了卫星激光通信的系统组成及特点,分析了国内外卫星激光通信技术领域的发展脉络、最新研究进展和未来发展规划。结合未来空间网络与深空探测需求,从高速化、深空化、集成化、网络化、全光化五个方面总结了未来发展趋势,并对未来涉及的关键技术进行了讨论,为我国卫星激光通信技术研究提供借鉴和参考。